Maros Dóra GSM Budapest, 2001
2 Tartalomjegyzék 1. Digitális mobil távközlo hálózatok...4 1.1. Elvárások, követelmények... 4 1. 2. Szabványosított digitális mobil rendszerek... 5 2. A GSM rendszer elemei...6 2.1. A GSM története, jelene, jövoje... 6 2.2. A hálózat geográfiai struktúrája... 8 2.3. A GSM funkcionális felépítése, elemei... 11 2.4. GSM azonosító számok... 16 3. A rádiós szakasz...21 3.1 A frekvencia-kiosztás... 21 3.2. A frekvenciák többszörös felhasználásának elve... 22 3.3. Cellatípusok, cellaelrendezések... 24 3.4. Az FDMA/TDMA technika megvalósítása... 28 3.5. A rádiós átvitel jellemzoi... 29 3.5.1. A path loss... 31 3.5.2. Fading jelenségek... 31 a.) Flat fading... 33 b.) Szelektív fading... 35 3.5.3 A Viterbi-kiegyenlíto és demodulátor... 35 3.6. Logikai csatornák... 37 3.7 A burst fogalma és típusai... 40 3.8. Logikai csatornák leképzése fizikai csatornákra... 42 3.9. Szuper és hiperkeret... 45 3.10. Beszédátvitel... 46 3.10.1 Az emberi beszéd jellemzoi... 47 3.10.2. Az emberi beszéd modellezése... 48 3.10.3. Beszédkódolás a GSM-ben... 49 3.10.4. A csatornakódolás és az interleaving elve... 52 3.10.5. Az interleaving szintjei... 56 3.10.6. A titkosítás és moduláció... 58 4. A GSM védelmi rendszere...60 4.1. Autentikációs eljárás... 60 4. 2. Titkosítás biztonság a rádiós csatornán... 63 4. 3. Készülékazonosítás... 65 4. 4. A rejtett elofizetoi azonosság... 65 5. Forgalmi esetek...67 5. 7. A GSM-ben használt protokollok... 67 5. 2. Bekapcsolás, kikapcsolás... 68 5. 3. Roaming (bolyongás)... 70 5. 4. Cellaválasztás... 71
3 5. 5. A mobil elofizeto helyének nyilvántartása és a location update... 71 5. 6. A handover... 77 5. 6. 1. Handover mérések... 79 5. 6. 2. A mérési beszámoló (measurement report)... 80 5. 6. 3. Szomszédos cella mérése... 80 5. 6. 4 Handover döntési folyamat... 82 5. 6. 5. A handover megvalósítása... 82 5.7. Nem folyamatos átvitel (DTX)... 88 6. Új GSM technológiák...90 6.1 A Wireless Application Protocol... 90 6.1.1. A WAP összetevoi... 91 6.7.2. A WAP architektúrája... 92 6.2. GPRS, a csomagkapcsolt megoldás... 92 6.2.7. A GPRS átviteltechnikája... 93 6.2.2. WAP alkalmazások GPRS-el... 95 6.2.3. A GPRS készülékek állapotai... 96 6.2.4. A GPRS elonyei különbözo alkalmazások esetén... 96
4 1. Digitális mobil távközlo hálózatok Az utóbbi években a mobil távközlés elterjedése a világban új távlatokat nyitott a személyi kommunikációban. A beszédátvitelen kívül ma már számos rendszer kínálja a fax és adatátviteli szolgáltatásokat is, amely a mobil rendszereket lényegében egyenrangú versenytárssá léptette elo a hagyományos vezetékes távközlési hálózatokkal folytatott versenyben. A technika fejlodését e téren nap, mint nap tapasztalhatjuk, hiszen újabb és újabb készülékek jelennek meg piacon, a szolgáltatások minosége és sokrétusége rohamosan no, készülékünk használhatósága szinte az egész világra kiterjed. A még megmaradt analóg rendszerek mellett teret hódítottak a digitális hálózatok, amelyek tényegesen több elofizeto kiszolgálására alkalmasak az idoosztásos technika bevezetésének köszönhetoen. Ebben a könyvben a GSM rendszerrel ismerkedhet meg az olvasó, kibovítve a harmadik évezredben várhatóan bevezetésre kerülo új technológiák leírásával. 1.1. Elvárások, követelmények A mobil hálózatok tervezésénél és megvalósításánál mindig elsodleges szempont az elofizetok igényeinek maximális kielégítése, hiszen a hálózatokat lényegében az elofizetok tartják fenn. A mobil hálózatok megjelenésének elso idoszakában az elofizeto elsodleges vásárlási szempontja az volt, hogy bárhol is tartózkodik (pl. gépjármuvével úton van) elérheto legyen, illetve ne legyen helyhez kötve, ha éppen o akarna telefonálni. Ez akkoriban nagyon fontos szempont volt, így ezt kielégítendo elsosorban szállítmányozási vállalatok, örökké úton levo üzletemberek voltak a potenciális elofizetok. Az árak csökkenésével egyre szélesebb skálát mutatott a rendszereket használók köre, és ilyenformán a szolgáltatások fejlesztése, bovítése, minoségének javítása került elotérbe. Aki manapság mobil telefont vesz és elofizetoje lesz egy mobil hálózatnak jogosan várja el a következoket: -Készüléke legyen könnyen használható és megbízható; -A hálózatüzemelteto által jelzett területeken (legyen akár külföldön) készülékét tudja használni, azaz bármikor tudjon hívni és ot is bármikor el lehessen érni; -A beszéd minosége folyamatosan jó legyen. még akkor is ha 120-a1 robog a sztrádán; -Az éppen fennálló kapcsolata ne szakadjon meg számára indokolatlan módon. (Kivéve, ha lemerült az akkumulátor, vagy véletlenül leejti a készüléket és meghibásodik); -Használni tudja a hálózatot adat- és faxátvitelre, SMS küldésre, stb. - Megkapja mindazokat az alap- és kiegészíto szolgáltatásokat melyeket a vezetékes telefonhálózat is biztosítani.tud, legyen például a hívásátirányítás vagy bármi egyéb; -Beszélgetését, faxát, számítógépes adatait senki se tudja lehallgatni, megfejteni; - Készülékét csak o tudja használni, ha ellopják azonnal le tudja tiltatni; -Megkapja a szolgáltatótól mind azt amiért (nem is kevés pénzt) fizet. A fenti igényeket kielégíteni bizony nem könnyu feladat. A hálózatokat üzemelteto-- fenntartó cégek akkor tudnak versenyben maradni, ha a finnyásnak tuno elofizetoi elvárásokat teljesítik. Természetesen a felsorolt igények kielégítését saját maguk részére kötelezové teszik, de a fenti követelményeket szolgáltatói szemszögbol fogalmazzák meg. Nézzük most meg, hogy az elozoek analógiájára mit tud biztosítani a hálózat üzemeltetoje:
5 - Többféle kivitelu és "intelligenciájú", igen könnyen kezelheto készülékeket; - Biztosítja, hogy az általa üzemeltett hálózat kiterjedése (a lefedettség mértéke) egy országon belül a leheto legnagyobb legyen, és szerzodéseket köt azonos rendszert használó külföldi szolgáltatókkal (roaming szerzodés) annak érdekében, hogy elofizetoje minél több országban tudja készülékét használni; - Biztosítja, hogy az elofizetoje mindenkori aktuális helyét a rendszer folyamatosan nyilvántartsa, így hívás esetén bárhol elérheto legyen, még akkor is ha nem a honos hálózatában tartózkodik; - Az elofizeto jó minoségu kommunikációját (beszéd- és adatforgalom) minden esetben igyekszik fenntartani, még mozgás esetén is, és többszintu biztonsági rendszer alkalmazásával gondoskodik az elofizetoi adatok védelmérol; - Az elofizeto kívánsága szerint vehet igénybe távközlési szolgáltatásokat és tarifacsomagokat, attól függoen, hogy milyenek az elofizeto telefonálási szokásai (pl. számlás vagy kártyás elszámolást igényel); - A rádiós átviteli úton beszélgetése, adatai titkosítva vannak, így azokat nem lehet lehallgatni. A titkosítási kódhoz semmilyen formában hozzáférni nem lehet, ezt a titkosítási eljárás maximálisan biztosítja, - A díjszabási elvek kialakításának elsodleges szempontja a "kereslet-kínálat" elve. Ha az elofizeto által igényelt szolgáltatás elvárt minosége egyensúlyban van a szolgáltatás díjaival, nem kell aggódni a cég muködését illetoen. 1. 2. Szabványosított digitális mobil rendszerek Magyarországon GSM rendszeru hálózatot három szolgáltató biztosít. Az alábbi felsorolásban más rendszeru mobil hálózatokat is megemlítünk, de ezek elofizetoi száma még csak meg sem közelíti a világméretu GSM rendszer elofizetoinek számát, amely egyes becslések szerint 2001 végen már meghaladja a félmilliárdot. Nagy teljesítményu, nagy kiterjedésu rendszerek: GSM (Global System for Mobil communication): 900, 1800 és 1900 MHz sávban muködo páneurópai szabvány, jelenleg már más földrészekre is kiterjedt világméretu hálózattá terebélyesedett. NADC-TDMA (S-54): Idoosztásos észak-amerikai digitális triobil rendszer. NADC-CDMA (5-95): Az 5-54 továbbfejlesztett változata. Érdekessége, hogy kódhozzáféréses technikát használnak (Code-Division-Multiplex-Access), amellyel jelentosen no a csatornasebesség (1,2288 Mbit/sec). JUC (Japanese Digital Cellular): Japán digitális rendszer, 3 duplex sávban muködik. Kis teljesítményu, telephelyi hálózatok: CT-2 Telepoint és CT2 Plus: Angliából kiindult. de a világon már számos országban (Európában és Ázsiában) használt rendszer, elsosorban repülotereken, vasúti pályaudvarokon használt hálózat. A bázisállomás hatósugara kb. -00 m, de a bázisállomáson keresztül bármelyik nagy telefonhálózat elérheto, de hívás nem fogadható. Érdekessége, hogy a duplexelés idoosztásban (TDD=Time Division Duplexing) történik, azaz adás- és vételirányban ugyanazt a vivot használják
6 DECT (Digital European Cordless Telephone): A CT2-höz hasonló, de illeszkedik a GSMhez a használt modulációt illetoen. Hívásfogadás is lehetséges, valamint alkalmas helyi adathálózat kialakítására is. CT3: Az Ericsson által kifejlesztett rendszer, a CT2 és DECT elonyeit egyesíti. PHP: Japánban használt, kevésbé elterjedt mikrocellás rendszer TETRA: Nagybiztonságú zárt felhasználói köru rendszer. Elsosorban a rendorségi és nemzetbiztonsági célokra készült. Összehasonlításképpen az alábbi táblázatban néhány, a fentiekben felsorolt rendszer legfontosabb jellemzoit tüntettük fel: Rendszer IS-54 GSM900 JDC IS-95 DECT PHP CT2 Hozzáférés TDMA/ TDMA/ TDMA/ FDMA/ TDMA/ TDMA/ FDMA FDMA FDMA FDMA CDMA FDMA FDMA Frekvenciasávok 869-894 935-960 810-826 869-894 1800-1900 1895-1907 864-868 824-849 890-915 940-956 824-849 Duplexelés FDD FDD FDD FDD TDD TDD TDD Csatorna- 30 200 25 1250 1728 300 100 távolság (khz) Moduláció π/4- GMSK π/4- BPSK/ GFSK π/4- GFSK QDPSK QDPSK QPSK QDPSK Beszédkódolás és sebessége (kbit/s) VSELP 8 PRE-LPT 13 VSELP 8 QCELP 1-8 (vált) ADPCM 32 ADPCM 32 ADPCM 32 Beszédcsatornák 3 8 3-12 4 1 száma vivonként Csatornasebesség 48,6 270 42 1288,8 1152 96 72 (kbit/s) Keretido 40 4,615 20 20 10 5 2 2. A GSM rendszer elemei 2.1. A GSM története, jelene, jövoje Egy egységes digitális rádiótelefon rendszer létrehozásának szükségességét mindenképpen sürgette az a tény, hogy az egyes országokban megvalósított hálózatokat külön-külön fejlesztették ki - a nemzeti igényeknek megfeleloen - és ezáltal a felhasználó csak az "anyaországon" belül tudta a szolgáltatásokat igénybe venni. A hálózatok közötti átjárhatóság a közös szabványok hiányában nem volt lehetséges. Az európai egységesítési törekvések nyomán megjelentek az egységes távközlési rendszerek iránti igények. 1982 júniusában az észak-európai országok javaslatára az Európai Országok Postai és Távközlési Szervezeteinek Konferenciája (CEPT) kijelölt egy nemzetközi szakmai szakértoi csoportot azzal a céllal, hogy kidolgozza egy egységes páneurópai mobil telefonrendszer szabványait. A szakértoi csoport neve Groupe Spéciale Mobilé volt - amely most a European Telecommunications Standards Institute (ETSI) aktív tagja -, ebbol származik az eredeti GSM rövidítés. Ma a GSM megnevezést leginkább "Global System for Mobile communication" rövidítéseként használjuk. 1986 decemberében az Európai Közösség Tagországai elhatározták, hogy az összeurópai hálózat megvalósításához szabaddá kell tenni minden országban egy kijelölt frekvencia sávot. A 900 MHz körüli tartományban jelöltek ki két frekvencia sávot a digitális rádiótelefonrendszer részére. A hálózat kiépítését a kilencvenes évek elejére tervezték.
7 1937. szeptember 7.-én 13 ország írta alá a Memorandum of Understanding (MoU) közös nyilatkozatot, amelyben kinyilvánították egyetértésüket a digitális rendszer kidolgozására. A bevezetés határidejét nem sikerült betartani. A technikai problémák a vártnál nagyobbak voltak, különösen a kis méretu, viszonylag olcsó készülékek kifejlesztése okozott problémákat.. Az elso GSM hálózatok 1992-ben kezdték el muködésüket Nyugat-Európában. A kisméretu kézi készülékek megjelenésével ugrásszeruen megnott a lehetséges felhasználók csoportja és a hálózatok elofizetoinek a száma megsokszorozódott. Az egyes országok üzemeltetoi, szerzodéseket kötöttek egymással a másik fél elofizetoinek a kiszolgálására (roaming), ezáltal az új rendszer valóban páneurópaivá vált. A GSM rendszer azonban kinotte Európát és igen rövid idon belül az egész világra kiterjedo, világméretu hálózat terebélyesedett. Az elso nem európai ország, amely a GSM rendszer bevezetése mellet döntött 1992-ben Ausztrália volt. 1996-ra több mint 60 országban, száznál is több szolgáltató választotta a GSM rendszert. A meglevo analóg hálózatokkal szembeni fobb elonyök a következok voltak: a gazdaságos frekvencia kihasználás a nemzetközi roaming lehetosége a kiemelkedo adatbiztonság az egész világra érvényes szabványok az új szolgáltatások bevezetésével szembeni nagyfokú rugalmasság a nagymértéku alkalmazás és a technikai fejlodés következtében, egyre olcsóbbá váló rendszertechnika és készülékek a GSM rendszer a hatékony muködés és más hálózatokhoz való jó csatlakoztathatóság érdekében a belso kialakításában, a rendszer felépítésében; külso és Belso csatlakozási tulajdonságaiban követi az ISO OSI (Open System Interconnection) hétrétegu referenciamodellt. A GSM alapvetoen a No.7 jelzésrendszert használja alapként, és erre építi saját protokolljait. A kelet-európai országok közül elsoként hazánkban építették ki a GSM rendszert. A magyar törvényeknek megfeleloen két szolgáltató kapott hálózatkiépítési engedélyt (WESTEL 900, PANNON GSM). Az 1994-es év elején indult be a kereskedelmi szolgáltatás, eloször Budapest területén. A lefedettség mértéke gyorsan nott és 1995 végére elérte az ország 90 százalékát. A kiépítés ütemében születtek meg a külföldi szolgáltatókkal kötött roaming szerzodések, amelyek által hazánk is a világméretu hálózat részévé vált. A fejlodés természetesen nem állt meg, szinte naponta jelennek meg a piacon új mobil készülékek, melyek kezelése egyre egyszerubb, szolgáltatásaik pedig egyre magasabb színvonalat képviselnek. A beszéd jellegu szolgáltatások minoségi javulása és bovülése mellett egyre nagyobb az elofizetoi igény az adat- és faxátvitelre is. Az ehhez kapcsolódó szolgáltatásokat ugyan már biztosítani tudja az üzemeltetok nagy része (pl. Internet, Fax postafiók stb.), azonban ezek megbízhatósága valamint az adatátviteli sebesség növelése még megoldásra váró problémák. A rendszer lehetoséget ad egy paging (személyi hívó rendszer) jellegu szolgáltatásra is, amely segítségével pár soros írásos üzenetet (SMS) küldhet a mobil elofizeto a központ segítségével egy másik mobil készülék felé. A rendszer bovítésének leheto Leggyorsabb módja az 1800 MHz sáv megnyitása volt, de Amerikában csak az 1900 MHz sávban tudtak GSM szolgáltatást biztosítani. A GSM 900-as és 1800-as rendszerek egymás között az elofizeto számára mára már "átlátszóak", ennek pedig elengedhetetlen feltétele a kétnormás (dual band) készülékek kifejlesztése és bevezetése volt. A könyv megírásának idején még nem tudhatjuk, hogy a szakértok milyen jövot szánnak a GSM rendszernek, annyi azonban bizonyos, hogy a fejlesztések töretlenül folytatódnak és a
8 GSM világméretu hálózatnak tekintheto. A tendenciák mindenesetre azt mutatják, hogy a mobil távközlési fejlesztések egy nagysebességu világméretu rendszer létrehozására törekszenek, amelyben a beszédátvitel mellett számottevoen nagyobb hangsúly kapnak a nem beszéd jellegu (szöveg, video, kép, audio és számítógépes adatok) információk is. Ennek kialakításában várhatóan a GSM is igen nagy szerepet fog játszani, hiszen tagadhatatlan elonye, hogy ma a világ legtöbb országában használt rendszer. Több fejlesztési csoport foglalkozik az Internet protokoll és a mobil kommunikációs összeházasításával, ennek egyik elso eredménye 1999-ben a WAP (Wireless Application Protocol) megjelenése volt. Kiderült azonban, hogy a rádiós szakaszon az igen korlátozott adatátviteli sebesség miatt a WAP csak akkor lehet hatékony megoldás, ha a GSM-ben eddig alkalmazott áramkörkapcsolt összeköttetés helyett a csomagkapcsolt megoldást alkalmazzák. Ezt a technológiát GPRS-nek (General Packet Radio Service) nevezték el és 2001 második felében (a könyv elkészülte után), várhatóan számos GSM hálózatban bevezetésre kerül. A GSM/GPRS telefonok az eddigi 2. generációs mobilokkal szemben, úgynevezett 2 és fél generációs mobilok, amelyek használatával átviteli sebesség megsokszorozódik..4 harmadik generációs mobil rendszerek elterjedése valószínuleg a harmadik évezred elso évtizedének a végére várható. Egyik legesélyesebb 3. generációs rendszer az UMTS (Universal Mobile Telephone System), amely egyes vérmes remények szerint akár 2 Mbit/s átviteli sebességet is biztosíthat. 2.2. A hálózat geográfiai struktúrája A GSM világméretu hálózat, lefedettségét több száz szolgáltató biztosítja. Ha a teljes GSM rendszer földrajzi kiterjedését egy hatalmas világtérképre felrajzoljuk, a teljes hálózati lefedettséget az országokon belüli hálózati lefedettségek összessége alkotja. Az alábbiakban áttekintjük a hálózat területi elosztását. GSM terület (minden tagország) PLMN terület (egy vagy több országonként) MSC szolgáltatási terület (SA) Helymeghatározó terület (LA) Cella (egy BTS által kiszolgált terület) Közcélú Földi Mobil Hálózat (CSM/PGMN) 2.1 ábra A GSM területi felosztása
9 A GSM világhálózatán belül a legnagyobb területi és szolgáltatási egység a PLMN (Public Land Mobile Network: Közcélú Földi Mobil Hálózat). A PLMN lényegében egy szolgáltató-- üzemelteto cég által lefedett földrajzi terület (többnyire egy országon belül), amelyen belül a szolgáltató a GSM elofizetok számára biztosítja a mobil távközlési szolgáltatásokat. Hazánkban jelenleg három PLMN muködik: Pannon GSM Rt., a Westel Mobil RT. és a Vodafone. Szolgáltatási terület (MSC Service Area) A PLMN-en belül alakítják ki a szolgáltatási területeket (SA: Service Area), amelyek valójában egy-egy mobil kapcsolóközpont által (MSC: Mobile Switching Centre) kiszolgált körzeteknek tekinthetok. A szolgáltatási területek kialakítása és nagysága függ az elofizetok várható számától, a forgalom becsült értékétol (kapcsolóközpont korlátozott kapacitása miatt) és még számos egyéb tényezotol. 2.2 ábra A PLMN belül szolgáltatási területeket alakítanak ki Helymeghatározó terület ( Location Area) A mobil rendszerek alapveto jellemzoje, hogy a mozgó elofizeto aktuális helye mindenkor regisztrálva van annak érdekében, hegy az elofizeto bárhol elérheto legyen (pl. hívás érkezik felé). A mobil elofizeto aktuális helyének meghatározása céljából a PLMN-en belül logikailag elkülönítheto területeket, úgynevezett helymeghatározó területeket" (LA: Location Area) alakítanak ki. A terület azonosító kódját (LAI: Location Area Identity) a mobil készülék a bázisállomás által küldött jelzéscsatornán folyamatosan fogja, így annak megváltozását azonnal érzékeli. Ha mobil készülék a mozgása során Location Area határt lép át, minden esetben maga kezdeményezi helyzetadatainak frissítését. Mivel ez az adat a központhoz tartozó elofizetoi regiszterben van nyilvántartva. Ezt a folyamatot hívjuk location update -- nek. Errol a folyamatról részletesen szólunk a helyzet-nyilvántartással kapcsolatos részben.
10 2.3 ábra A központ (MSC) a helymeghatározás céljából a szolgáltatási területen belül Location Area kat definiál Cellák A Location Area egy vagy több cella együttes területét jelenti. A cellák lényegében egyegy adó-vevo állomás (bázisállomás) rádiós lefedettségi körzetét képezik. A bázisállomást a továbbiakban BTS-nek (Base Transceiver Station) hívjuk. A bázisállomások helyének meghatározása, a cellás struktúra kialakítása a mobil hálózat tervezésének egyik sarkalatos pontja. Ha a Location Area-hoz több cella tanozik, hívásjelzés esetén - mivel az elofizeto helyét csak a központban tárolt LAI azonosító jelzi - a rendszer a mobil készüléket az összes LA-hoz tartozó BTS keresi. 2.4 ábra: A Location Area több cellát is magában foglalhat A Location Area azonosítására szolgál a Location Area Identity (LAI) azonosító, amelyet minden cellában állandóan lesugároznak. A vett LAI-t a készülék a SIM kártyán tárolja el. Ha a mobilkészülék érzékeli a LAI megváltozását, azaz az eltárolt és vett azonosító nem egyezik meg, a készülék helyfrissítési eljárást kezdeményez a központban. Ha egy nap túl gyakran változtatjuk a helyünket, a telefon sok helyfrissítési eljárást kezdeményez, ezért az akkumulátor sokkal hamarabb lemerülhet, mintha csak kevesebb helyváltoztatást végzünk.
11 2.3. A GSM funkcionális felépítése, elemei Ha GSM funkcionális felépítését tekintjük, a rendszert lényegében három nagyobb egységre bonthatjuk. Ezek a következok: -Kapcsoló alrendszer. (SS = Switching Subsystem) -Bázisállomás alrendszer(bss: Base Station Subsystem) -Muködtetési és Üzemfelügyeleti alrendszer(oms = Operation and Maintenance Subsystem) E három alrendszer együttes muködése biztosítja a hálózat megbízható muködését, folyamatos üzemfelügyeletét, a szolgáltatások biztosítását. Ezek a funkciók minden PLMN-en belül megvalósulnak, szigorúan kötött ETS1 (European Standards Institute) szabványoknak megfeleloen. A kapcsoló alrendszer(ss) Az alrendszer legfontosabb eleme a mobil kapcsoló központ (MSC = Mobile Switching Center). Ez felel a hívótól a hívottig a hívás (elépítéséért, irányításáért, a kapcsolási funkciók ellátásáért és biztosítja az elofizetok részére az alap- és kiegészíto szolgáltatásokat. Az MSC az együttmuködési funkció (IWF: Interworking Functions) segítségével egyfajta interfész szerepét is ellátja a GSM és más távközlési hálózatok között. Ilyen hálózatok lehetnek a nyilvános áramkörkapcsolt telefon- és adathálózatok (PSTN. ISDN, CSPDN) valamint a csomagkapesolt adathálózatok (PSPDN), mint például az Internet. A GSM rendszer központjai és számos elemei a No.7 jelzésrendszer segítségével kommunikálnak egymással, amelynek protokolljai az ISO/OSI hét rétegu referenciamodell alapján rétegzodnek. A kapcsoló alrendszerben három fontos adatbázis tárol adatokat az elofizetokkel kapcsolatban. Az egyik a honos helymeghatározó regiszter (HLR = Home Gocation Register), amely információkat tárol a szolgáltató összes elofizetojérol. Ez lényegében egy hatalmas központi adatbázis, amelyben a PLMN összes elofizetoje nyilván van tartva a nemzetközi mobil elofizetoi azonosítója (IMSI: International Mobil Subscriber Identity) alapján. Minden elofizetohöz a HLR-ben egy un. IMSI-rekord tartozik, amelyen az elofizetohöz tartozó információk szigorú rendben vannak csoportosítva. Ilyen információ lehet például az elofizeto hívószáma, a díjcsomag típusa, az elofizeto által igénybe veheto szolgáltatások fajtája (esetleg korlátozása), a biztonsági funkciók ellátásához szükséges aktuális paraméterek (Tripletek) és még sok egyéb információ. Ha az elofizeto felé hívás érkezik a vezérlés eloször mindig a HLR felé irányul, ugyanis az innen kiolvasott helyadatok alapján lehet csak az elofizetot megtalálni. A HLR-ben minden IMSI rekordon rögzítve van annak a központnak az azonosítója, amellyel az elofizeto utoljára vette fel a kapcsolatot. Hálózatonként logikailag áltatában egy HLR implementálható, bár a tárolási eroforrásokat az elofizetok nagy száma miatt általában megosztják.
12 2.5 ábra: A HLR a PLMN elofizetoirol tárol információkat (A nyilvántartott IMSI-k egy szolgáltatóhoz tartoznak) A látogató helymeghatározó regiszter (VLR = Visitor Location Register) azokról a GSM elofizetokrol tárol információkat, akik a szolgáltatási területen (MSC-hez tartozó Service Area) belül tartózkodnak. Itt azokhoz az elofizetokhöz tartoznak IMSI rekordok, akik a központ ellátási körzetében tartózkodnak, vagyis azokban a cellákban, amelyeket ugyanazon központ lát el. A világon található összes GSM elofizeto ilyenformán látogatónak" tekintheto, még akkor is, ha a honos hálózatában tartózkodik. Miközben a GSM elofizeto a nagy GSM hálózatban "bolyong", a HLR és az aktuális (meglátogatott) MSC körzet VLR-je az elofizeto kiszolgálása érdekében folyamatos adatcserét végez. Ehhez az szükséges, hogy a honi PLMN roaming szerzodést kössön azzal a külföldi szolgáltatóval, akinek az elofizetoje éppen a lefedettségi területén belül tartózkodik. Ha az elofizeto kilép a körzetbol az IMSI rekordját kitörlik. 2.6 ábra: A VLR az MSC-hez kapcsolódik és a szoláltatási területen belül tartózkodó GSM elofizetoket tartja ideiglenesen nyilván (AZ IMSI más szolgáltatók elofizetoit is jegyezheti.) A VLR-ben van nyilvántartva az elofizeto aktuális tartózkodási helye is, azaz a Location Arca azonosítója. A HLR-hez kapcsolódik a hitelesítési központ (AUC = Authentication Cemre), amely a hálózat elofizetoihez rendeli a hitelesítési (autentikáció) és titkosítási (cipheringi eljárásokhoz szükséges paramétereket, az úgy nevezett triplet-eket. Az AUC a hálózat oldaláról jelentos
13 feladatot végez az elofizetohöz tartozó biztonsági funkciók ellátásában. (Az elofizetoi oldalról a SÍM kártya biztosítja ezeket a funkciókat). Az MSC-hez kapcsolódó készülékazonosító regiszter (EIR = Equipment Idennry Register) a hálózatban használatban lévo mobil készülékek azonosítóját (IMEI = International Mobile Equipment Identity) regisztrálja. Az IMEI tartalmazza többek között a készülék típuskódját, gyártóját és a gyártási számát. Attól függoen, hogy a készülék használatához milyen jogosultságot rendel a szolgáltató, a nyilvántartásba vett IMEI számok három különbözo listába vannak rendezve. A fehér listán azok a készülékek szerepelnek, amelyeket korlátozások nélkül lehet használni. A szürke listás készülékek használata különbözo okok miatt átmenetileg korlátozott (például tesztelés). A fekete listán nyilvántartott telefonok teljes körben ki vannak tiltva a GSM hálózatból. Ha a készüléket ellopják, az elofizeto bejelentése alapján a lopott készülék IMEI száma fekete listára kerül, és a GSM hálózathoz való hozzáférése nem engedélyezett. (AZ IMEI ellenorzésére a rendszerrel való kapcsolatfelvételkor kerül sor.) A bázisállomás alrendszer (BSS) A bázisállomás alrendszert két alapvetoen különbözo funkciójú hálózati elem alkotja. Az egyik a bázisállomás. (BTS = Base Transdever S tation), funkciója a megfelelo rádiós kapcsolat megteremtése a rendszer és a mobil elofizeto között. Az BTS besugárzási területe a cella, amely a mobil hálózat alapsejtjének is tekintheto. A BTS-ek egy-egy csoportját vezérlik a bázisállomás vezérlok (BSC = Base Station Controller). A BSC valójában egy a vezetékes hálózatokban is használt digitális kapcsolóközpont (pl. AXE 10.). amely mobil menedzsment funkciókkal van kibovítve. A BSC teremti meg a kapcsolatot a BTS-ek és az MSC között, biztosítja a rádiós interfészen történo kommunikáció szervezését és vezérlését. Jelentos szerepe van a csatornák kiosztásában és a beszélgetés közbeni csatorna váltás vezérlésében. A mobil készülékek é> a bázisállomásoktól érkezo mérési eredmények kiértékelése alapján a BSC dönt a handover (beszélgetés közben csatornaváltás) végrehajtásáról, és biztosítja a csatornaváltás végrehajtását vezérlo jelzéseket a mobil elofizeto és a rendszer más elemei felé.
14 2.7 ábra: A GSM funkcionális elemei és kapcsolata más hálózatokkal A bázisállomás berendezései állítják elo a cellában kisugárzandó, megfelelo frekvenciájú, teljesítményu és adattartalmú jelet, annak érdekében, hogy a cella területén található mobiltelefonok a bázisállomás közvetítésével kommunikálhassanak a központtal, és a központon keresztül más elofizetokkel. A BTS és BSC közötti interfészt Abis, míg a BSC és MSC közti interfészt A interfésznek nevezzük A mobil állomás (MS) A mobil állomás (MS = Mobile Station) nem tartozik egyik alrendszerbe sem, azt mondhatjuk, hogy az MS a GSM elofizetoi" oldala. A mobil állomás két részbol áll: a
15 mobilkészülékbol (ME = Mobile Equipment) és az elofizetoi azonosító modulból (SIM = Subscriber Identity Modul) ami végeredményben egy chípkártya. A készülék és a belehelyezett SÍM kártya alkotja együttesen az elofizetot, hiszen a mobiltelefon csak akkor használható, ha valamelyik szolgáltató elofizetojeként rendelkezünk a hálózathoz való hozzáférési jogosultsággal. A mobiltelefont bármikor lecserélhetjük, de az elofizetoi jogaink azzal természetesen nem változnak meg, hiszen a régi SIM kártyánkat helyezzük az új telefonba. Azt is megtehetjük, hogy egyszerre két szolgaitatóval állunk kapcsolatban, és hol az egyik, hol a másik SIM kártyát használjuk, attól függoen, hogy például magáncélból vagy üzleti célból telefonálunk. A SIM legfontosabb funkciója az elofizeto védelme, habár számos hálózati- és személyes adatot (mint például telefonszámok, SMS, stb.) is tárol. A SÍM kártyán található a nemzetközi mobil elofizetoi azonosítónk (IMSI = International Mobile Subscriber Identity), amely kizárólagosan azonosítja elofizetoi létünket" a nagy GSM hálózatban. Amikor Magyarországon, vagy külföldön használjuk a telefonunkat, a rendszer az DMSI alapján azonosít minket, és a számlázást is ez alapján adminisztrálja le a honos hálózat felé. Az IMSI tehát magában hordozza az országkódot, a PLMN kódját (Westel, Pannon vagy Vodafon) és az elofizetoi számot. Az IMSI nem azonos a hívószámunkkal! (Ezt majd késobb megmagyarázzuk.) A SÍM funkciójával a GSM védelmi rendszere fejezetben fogunk foglalkozni. 2.8 ábra: A mobil állomás (MS) részei Muködtetési és üzemeltetési alrendszer (OMS) Az OMS funkciói a hálózat üzemeltetésével és fenntartásával vannak összefüggésben. Az üzemi körülmények folyamatos biztosítása, a hálózat karbantartása és a forgalmi adatokkal kapcsolatos statisztikák elkészítése az alrendszer legfontosabb feladatai közé tartoznak. Például a bázisállomások emberi felügyelet nélkül muködnek, ezért egy bonyolult távfelügyeleti rendszer biztosítja az állomások figyelését (homérséklet, páratartalom, betörésjelzés, stb.). Az alrendszer muködésének vezérlését az OMC (Operating and Maintenance Centre) végzi, ami egy többterminálos, számos funkcióval ellátott bonyolult hardver és szoftver egység.
16 Az OMS feladatai több, egymástól elkülönítheto, de összefüggésében együttesen is kezelheto és feldolgozható funkcióból áll: -Konfiguráció menedzsment A bonyolult GSM hálózat beállítását, hálózati paraméterek kezelését és automatikus rendszerkonfigurációt tesz lehetové. A konfiguráció menedzsment feladatai a következok: Cellás hálózat adminisztrációja Grafikus cellamegjelenítés Térkép információ-telepíto eszköz BTS menedzsment Következetes ellenorzés -Riasztás menedzsment A hálózatban az alarm (riasztás) kezelés számítógépes rendszerrel történik. A BTS-rol jövo riasztás mikrohullámú hálózaton keresztül jut el a központba, ahol a PLMN egészét ábrázoló térképen lehet a riasztás helyét nyomon ko vetni. A terminált figyelo operátor folyamatosan figyeli a riasztási állapotokat, és a továbbiakban a riasztási szinttol függoen jár el. -Adatgyujtés (Performance menedzsment) A felügyeleti központ felé a nap 24 órájában érkeznek mérési adatok a hálózat forgalmáról. Ezek az adatok a központban további feldolgozásra kerülnek, és a rendszer statisztikai kimutatásokat készít a hálózat további fejlesztése, bovítése céljából. A statisztikák grafikus formában kerülnek megjelenítésre, például a forgalmi útvonalak terhelési viszonyairól, és forgalom eloszlásáról az egyes átviteli utak között. A mérési adatok lúlnyomó többségben napi adatok, de lehetoség van régebbi adatok adatbázisból történo elohívására is. 2.4. GSM azonosító számok A GSM rendszer számos azonosítót használ a jelzésátvitelben. Az azonosítók többsége szigorúan meghatározott formájú és tartalmú, ilyenformán a PLMN hálózatok közötti kompatibilitás biztosított. Némely azonosítónak csak a hossza van maximálva, tartalmát az üzemelteto választhatja meg eloírt szabályok szerint. Az alábbiakban ismertetjük az azonosító számok jelentését és struktúráját, hiszen a további fejezetekben ezek ismerete elengedhetetlenül szükséges lesz. MSISDN (Mobile Station ISDN Number) (Mobil állomás ISDN száma) Az ITU eloírásai szerint a mobil telefonszám vagy elofizetoi szám a következo módon alakul: MSISDN = CC + NDC + SN CC = Country Code (országkód) NDC = National Destination Code (nemzeti célkód) SN = Subscriber Number (elofizetoi szám)
17 Az MSISDN egy olyan szám, amely egyértelmuen azonosít egy mobiltelefon elofizetot a nyilvánosan kapcsolt telefonhálózatban. Mikor a vezetékes (PSTN) hálózatból hívunk mobil készüléket végeredményben az MSISDN számát tárcsázzuk. Hossza hálózatonként változó, de maximálisan 15 digit hosszú lehet. Az MSISDN szám hossza attól függoen változik, hogy honnan kezdeményezzük a mobil felé irányuló hívást. A leghosszabb a hívószám, ha külföldrol hívjuk, hiszen a nemzetközi eloválasztó után (általában 00) az országkódot és a hálózatkódot is tárcsázni kell. Legrövidebb a szám, ha a saját hálózatunkból hívjuk azt az elofizetot, amelyik ugyancsak honos szolgáltatónkhoz tartozik. Vigyázzunk azonban külföldön a hívással! Ha egy külföldi hálózatban tárcsázzuk ugyanezt a számot, az ottani szolgáltató egyik elofizetojét fogják kapcsolni. IMSI (International Mobile Subscriber Identity) Nemzetközi Mobil Elofizetoi Azonosító Az IMSI egy GSM elofizetot egyértelmuen azonosít a teljes GSM hálózatban. A GSM ajánlása szerint az IMSI hossza maximum 15 digit lehet. Minden hálózaton belüli jelzés, amely az elofizetovel kapcsolatos lényegében az IMSI alapján történik. Az IMS1 a SÍM kártyán van letárolva, és a HLR és VLR-ben található elofizetoi információkhoz is az IMSI azonosság alapján lehet hozzáférni. IMSI = MCC + MNC + MSIN MCC = Mobile Country Code (mobil országkód}, 3 digit MNC = Mobile Network Code (mobil hálózat kód), 2 digit MSIN = Mobile Subscriber Identification Number (mobil-élofizetoi azonosító szám), max. 10 digit TMSI (Temporally, Mobile Subscriber Identity) Átmeneti Mobil Elofizetoi Azonosító A TMSI a hálózaton belüli ideiglenes, átmeneti elofizetoi azonosságot biztosítja. Mivel a TMSI csak helyileg fontos (azaz az MSC/VLR területen belül), a rendszer a mobil minden bejelentkezése alkalmával változtathatja a TMSI-t, biztosítva ezzel az IMSI egyfajta védelmét. A TMSI-t a központ küldi el az MS felé, és a kommunikáció a továbbiakban a TMSI alapján történik. Az azonosító szám hossza és felépítése a PLMN üzemelteto által meghatározott, de hossza nem lehet nagyobb 4 oktettnél (32 bit). IMEI (International Mobile station Equipment Identity) Nemzetközi Mobilkészülék Azonosító Ezt az azonosítót a GSM rendszerben használt minden mobil készülék azonosítására alkalmazzák. Ennek megfeleloen a következo kódokat tartalmazza: IMEI = TAC + FAC + SNR + sp TAC = Type Approval Code (típusjóváhagyás kódja), a központi GSM testület által jóváhagyott kód. 6 digit FAC = Final Assembly Code (készlet kód), azonosítja a készülék gyártóját, 2 digit SNR = Serial Number (sorozatszám). 6 digit
18 sp = spare, tartalék késobbi használatra, l digit Az IMEI-k nyilvántartása rendkívül fontos a GSM biztonságos muködéséhez. Láttuk, hogy ezek nyilvántartását a Készülékazonosító regiszter, az EIR kezeli, ahol három lista alapján vannak az IMEI-k csoportosítva (fehér, szürke, fekete). A készülék megvásárlásakor az IMEI szám a fehér listára kerül, de ha ellopják a fekete listára teszik. Az IMEI ellenorzése a telefon használata közben, egy nap akár több esetben is megtörténhet. Bekapcsolás, híváskezdeményezés és fogadás, szolgáltatás aktiválása és deaktiválása, helyfrissítési eljárás esetében is történik IMEI ellenorzés. Ilyenkor a rendszer utasítja a készüléket, hogy küldje el az azonosítóját, amit az EIR-ben nyilvántartott listák alapján leellenoriznek. Ha az ellenorzés az IMEI-t érvényesnek találja, a telefon hozzáférési jogosultságot kap a rendszertol. LAI (Location Area Ideitifity) Helymeghatározó Terület Azonosító A LAI-t a mobil elofizetok helyének azonosítására használják a GSM hálózaton belül. A LAI-t minden cellában állandóan sugározza a rendszer egy adott csatornán. A készülék detektálja a LAI-t és a SÍM kányán eltárolja. Ha a detektált azonosító nem egyezik meg a SÍM kártyán elozoén tárolt értékkel, helyfrissítési eljárást (location update) kezdeményez e rendszer felé. A LAI-t a VLR-ben tárolják az elofizetohöz tartozó IMSI adatbázisban. LAI = MCC + MNC + LAC MCC = Mobile Country Code (mobil országkód), azonosítja az országot ugyanazzal a 3 digittel, mint az IMSI-ben. MNC = Mobile Network Code (mobil hálózat kódja), azonosítja a GSM PLMN-t az adott országban, és ugyanaz az értéke mint az MNC-nek az IMSI-ben, 2 digit LAC = Location Area Code (körzet kódja), azonosít egy-egy körzetet (LA = Location Area) a GSM PLMN-en belül. Maximális hossza 16 bit, így egy GSM PLMN-en belül összesen 65536 különbözo körzet azonosítható. MSRN (Mobile Station Roaming Number) Mobil állomás Roaming száma Ha hívás érkezik a mobil elofizeto felé, az MSISDN szám alapján a hívást a bejövo hívásokat kezelo úgynevezett GMSC-be (Gateway MSC) irányítja a hálózat (2.9. ábra). Az MSISDN számot a GMSC ezután HLR felé küldi, mert itt van regisztrálva, hogy az elofizeto melyik VLR/MSC szolgáltatási körzeten belül tartózkodik. Az MSISDN szám alapján a HLR meghatározza a vonatkozó IMSI-t, és az összeköttetés felépítéséhez szükséges információt a HLR az LMSI alapján lekéri az aktuális VLR/MSC-tol. Lényegében ez az azonosító az MSRN. Az MSRN a HLR-en keresztül a GMSC-be kerül, majd a hívásfelépítés további lépései már a külso hálózat és VLR/MSC viszonylatában történnek.
19 2.9. ábra: Az MSRN értelmezése Az MSRN három részbol épül fel: MSRN = CC + NDC + SN CC = Country Code (országkód) NDC - National Destination Code (Nemzeti célkód} SN = Subscriber Number (Elofizetoi szám/ideiglenes) CGI (Cell Global Identity) Globális Cella Azonosító Egy location area-n belül több cella is lehet, ezek azonosítására szolgál a globális cellaazonosító szám. Végeredményben a GSM hálózaton belül minden cella külön azonosítót kap. CGI = MCC + MNC -t- LAC + CI MCC = Mobile Country Code, 3 digit MNC = Mobile Network Code, 2 digit LAC = Location Area Code. max. 16 digit CI = Cell Identity (cellaazonosító szám), max 16 digit BSIC (Base Station Identity Code) Bázisállomás Azonosító Kód A BSIC a mobil készüléket segíti a különbözo szomszédos bázisállomások megkülönböztetésében. Erre például beszéd közbeni csatorna-váltás (handover) esetén van szükség, mikor a BSIC alapján a mobil készülék azonosítja a szomszédos cellákat. Ennek folyamatáról még bovebben lesz szó. A BSIC egy úgy nevezett színkód" ami azt jelenti, hogy a szomszédos cellák más képzeletbeli színnel vannak jelölve, és nem lehet egymás mellett két azonos színu cella. BSIC = NCC + BCC NCC = National Colour Code, a GSM PLM azonosítója. E kód az országhatár két oldalán lévo PLMN üzemeltetoket különbözteti meg. A 3 bites NCC elso bítje az
20 operátorra, második kél bitje pedig az országra vonatkozik. Ennél fogva, egy országhatáron két azonos országbeli operátor és négy határos ország lehet. BCC = Base Station Colour Code A BCC azokat a szomszédos cellákat különbözteti meg, amelyek ugyanahhoz a hálózathoz tartoznak. Mivel a kód 3 bites, így összesen a BCC-vel 8 színkód definiálható.
21 3. A rádiós szakasz 3.1 A frekvencia-kiosztás A GSM rendszer számára, az egész világon egységes frekvenciasávot jelöltek ki. Mivel az átvitel duplex jellegu, az adás és vételirány két egymástól távol elhelyezkedo frekvenciasávban valósul meg. A két különbözo frekvenciasávban megvalósított duplexelési eljárást frekvenciaosztásos duplexelésnek nevezzük (FDD = Frequency Division Duplexíng). így ha az MS viszonylatában viszgáljuk az átvitelt, minden adásirányú vivofrekvenciának (carrier = vivo) van egy duplex párja a vételi sávban. Hogy az átvitel irányának meghatározásakor ne legyen probléma a vonatkoztatási hely, a rádiós átvitelnél megkülönböztetünk uplink és dowlink átvitelt. (Itt a nehéz fordítás miatt meghagytuk az angol kifejezéseket.) Uplink irányról, átvitelrol beszélünk akkor, ha az információ a bázis adó-vevo állomás (BTS = Base Station) felé, a mobil készülék irányából érkezik. Downlink az irány az ellenkezo esetben, azaz a bázisállomástól a mobil készülék felé történik az átvitel, ügy is értelmezhetjük, hogy egyik esetben a magas bázisantenna lenéz, azaz lefelé sugároz (down) a mobilkészülék felé, a másik esetben pedig a föld közelében lévo mobil felnéz (up) a bázisantennára. A GSM rendszerben a duplex frekvenciasávok kialakítását szigorúan rögzítették az eloírások. Ha egy országban több üzemelteto cég épít ki GSM hálózatot a rendelkezésre álló frekvenciasávot szétosztják egymás között. A 900 Megaherzes tartományban két 25 MHz sávszélességu sáv áll rendelkezésre downlink és uplink sávban. Mindegyik 124 vivofrekvenciát tartalmaz, amelyek egymástól 200 KHz távolságban helyezkednek el, így egy csatorna sávszélessége is 200 khz. A vivok úgynevezett duplex távolsága 45 MHz, ami azt jelenti, hogy minden uplink vivonek 45 MHz-el magasabb frekvencián megtalálható a duplex párja. Az alábbi ábra a GSM 900 rendszerben alkalmazott sávszélességet ábrázolja.
22 A GSM 1800 rendszerben nagyobb a sávszélesség, így a rendelkezésre álló vivok száma is több, szám szerint 374. A vivok távolsága ugyanúgy 200 khz, mint a GSM 900-ban, az uplink és downlink sávszélesség 75 MHz, a duplex távolság pedig 95 MHz. 3.2. A frekvenciák többszörös felhasználásának elve Tekintetbe véve a vivofrekvenciák viszonylag kevés számát, a hatalmas elofizetoi forgalmat csak úgy lehet kiszolgálni, hogy a rendelkezésre álló vivofrekvenciák többszörösen felhasználásra kerülnek. Ugyanis ha két ugyanazon frekvenciát használó rádiós csatorna egymástól földrajzilag kello távolságban helyezkedik el, nem lép fel közöttük számottevo zavaró hatás, interferencia. A probléma szemléltetésére, definiáljuk az úgy nevezett C/I hányadost (C = Carrier - azaz vivojét, I: ugyanolyan frekvenciájú Interferenciajel). A következo ábrán a vízszintes tengelyen a két antenna közti távolságot, a függoleges tengelyeken pedig az C hasznos vivo és egy másik antenna által sugárzott ugyanilyen frekvenciájú interferenciát okozó jel szintjét ábrázoljuk. Egy adott vizsgált pontban az ábra alapján értelmezzük a C/I hányadost, mely az antennák távolságán kívül függ a földfelület egyenetlenségeibol adódó hatásoktól és két jel más tárgyakról, épületekrol történo visszaverodési jelenségeitol is.
23 A fenti értelmezésbol adódóan, a mobil hálózat kialakításánál arra kell törekedni, hogy a hálózat minden pontján a C/I hányados a leheto legnagyobb legyen, azaz az azonos frekvenciákon sugárzó bázisantennák lehetoség szerint megfeleloen távol helyezkedjenek el egymástól. Ez a feltétel gyakorlatilag kizárja annak a lehetoségét, hogy egymás melletti cellákban azonos vivofrekvenciák muködjenek. Szigorúbb követelményeket támaszt a rendszer az olyan cellastruktúra kialakításánál, ahol a szomszédos cellákban még egymás melletti vivok (fi és fl±200khz) használatát sem engedik meg a lehetséges átlapolódások miatt. Ennek vizsgálatára definiáljuk a C/A hányadost (C = Carrier - hasznos vivo, A = adjacent - szomszédos vivo). Az elozo ábrához hasonlóan ábrázoltuk a C/A értelmezését.
24 3.3. Cellatípusok, cellaelrendezések A cellák kialakításánál, a cellaelrendezés tervezésnél a következo kiinduló szempontokat kell figyelembe venni: a mobil készülékek földrajzi eloszlását, az elofizetok közlekedési szokásait, az átvitel minoségét, a szolgáltatás földrajzi kiterjedését, a domborzati viszonyokat. A fenti szempontok alapján elkészítheto a hálózat un. nominális terve, mely alapjául szolgál a bázisállomások telepítéséhez, valamint a frekvencia-kiosztás megtervezéséhez. A cella alakját és nagyságát az antenna típusa és teljesítménye nagymértékben meghatározza. A cellás hálózatban kétféle antennát használnak: az egyik körsugárzó, mely egyenletesen sugároz 360 fokos szögben, a másik szektorsugárzó, amely általában 120 -os szektort lát el. A nominális terv elkészítésére szükség van egy elméleti cellamodellre, amit a tervezés alapjának tekinthetünk. A cellamodell meghatározásakor a következo alapfeltételeket vesszük figyelembe. -Körsugárzó antennát használunk, egyenletes teljesítménysugárzással -A besugárzott területen az elofizetok tartózkodási helyének eloszlása homogén -A forgalom egyenletes eloszlású A fenti feltételeknek megfelelo két teljesen egyforma körsugárzó antennával ellátott cellát helyezünk egymás mellé a 3.7/a. ábrán látható módon. Könnyen belátható, hogy a két antennától egyforma távolságú helyek mértani pontjai a két kör érintopontjaiba húzott egyenes szakaszon vannak. Ezekben a pontokban azonos térerosséget mérünk a két antenna felöl. Ha a muveletet még 5-ször megismételjük a b/. ábrán látható elrendezést kapjuk, melybol kirajzolódik a középso cellába rajzolható szabályos hatszög idom. A rádióhálózat tervezésénél ilyen módon a cellákat lényegében hatszögekkel (hexagon) modellezhetjük. Természetesen a valóságban a cellák alakját nagymértékben befolyásolják az adott terület domborzati viszonyai, a földfelület egyenetlenségei.
25 Az elozo fejezetben ismertetett C/I arány meghatározza a kialakítandó cellaelrendezés frekvenciacsoportjainak számát, melyet F-el jelölünk. Ha az összes felhasználható vivofrekvencia N, és F csatornacsoportot alakítunk ki, minden csoport N/F frekvenciát tartalmaz. Egy cellában egy frekvenciacsoportot alkalmazunk, és a cellákat úgy helyezzük egymás mellé, hogy lehetoleg a C/A hányados a leheto legjobb legyen ( azaz a egymás melletti vivok között se lehessen átlapolódás). Ha csökkentjük a csatornacsoportok számát, ez azt jelenti, hogy egy cella nagyobb forgalmat képes ellátni, viszont kedvezotlenül alakulhat a C/I és C/A arány. A cellaelrendezés és frekvencia-kiosztás nagyon sokféle megvalósítását lehet a gyakorlatban látni. A teljesség igénye nélkül három példát mutatunk, amelyet az Ericsson ajánl, A három példa a 7/21, 4/12 és 3/9 frekvencia-elrendezési minta. Mindegyik elrendezésben a következoket mondhatjuk; - A cellacsúcsokban elhelyezkedo antennák 120 -os szögben sugározzák be a cellákat. - Minden cella két 60 -os adóantennát, és két 60 -os osztott (diverzitív) vevoantennát használ. - A cellákat hatszögekkel közelítjük. Feltételezzük továbbá, hogy a cellákon belül a forgalom eloszlása homogén. A modellek nevében az elso szám az un. site-ok (telep) számát jelenti, esetünkben például egy tornyot, amire három szektorantenna van szerelve. A második szám pedig ennek a háromszorosa, azaz az antennák és így a cellák száma. Minden antenna egy frekvenciacsoportot lát el. Azon cellák csoportját, melyekben az összes rendelkezésre álló frekvenciát felhasználjuk, de csak egyszer, cluster-nek (köteg) nevezzük. Ha az ellátandó területet úgy fedjük le, hogy a kialakított clustereket lényegében megsokszorozzuk, azaz egymás mellé pakolgatjuk, biztosíthatók a kívánt feltételek. Ha a cella rádiusza R, akkor ez pontosan egyharmada az antennák közötti távolságnak, ha szektor-cellás elrendezést használunk. A szomszédos frekvenciákat használó állomások távolságának meghatározása is fontos a tervezésnél, a három esetben a következoképpen adódnak. 7/21 d = 63 l/2 *R = 7,9R 4/12 d = 6*R 3/9 d = 3*3 12 *R = 5,2R
26
27 A három kialakítást a 3.8., 3.9. és 3.10. ábrán szemlélhetjük. A legkönnyebben a 4/12 esetben láthatjuk be d értékét, hiszen ez az ábráról egyszeruen leolvasható. A másik két esetben kissé komolyabb geometriai problémával állunk szemben, de ennek belátását az olvasóra bízzuk. Példaként nézzük meg a frekvencia-kiosztást a 3/9-es elrendezés esetén, ha a felhasználható frekvenciák száma, N=24 Frekvencia csoportok A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 Vivosorszám 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 A frekvenciák kiosztása, a csatornacsoportok kialakítása, a cellák megtervezése és az antennák telepítése a gyakorlatban sokkal bonyolultabb feladat az itt vázolt elméleti megvalósításokkal szemben. A hálózat megtervezését ma már nagy bonyolultságú szoftverekkel végzik, azonban a tapasztalatok azt mutatják, hogy a kivitelezés során még számos korrekciót igényel az eredeti terv. A cellák méretét a területen várható forgalom és a rendelkezésre álló csatornák száma határozza meg. Ha meglévo cella csatornakapacitása nem elegendo a forgalom kielégítésére, a cella területének felosztásával és újabb (kisebb) cella kijelölésével megoldható a probléma. A cellák csoportosítása nagyságuk szerint: -Nagy cellák: Nagy kiterjedésu és kis forgalmú vidéki területeken használják, ahol a domborzati viszonyok is lehetové teszik a nagytávolságú besugárzást. Kisebb völgyek, takarásban levo falvak besugárzására repeater-eket (átjátszó-adókat) használnak. A cella sugara 10-30 km. és általában körsugárzó antennával látják el a területet. -Közepes méretu cellák: Közepes méretu forgalom esetén (általában nagyvárosi agglomerációkban) alkalmazott cellák, szektorsugárzó antennákkal. A cellasugár 1-5 km.
28 -Kis cellák: Városokban és nagy forgalomigényu területeken -(pl. forgalmas autópályák mentén) nem lehetséges nagy teljesítményu adókkal biztosítani a lefedést. Ennek két fo oka van, az egyik a forgalom nagysága, a másik a geográfia inhomogenitása. Kiscellás környezetben megszaporodnak az interferencia problémák, a tervezési paraméterek betartása egyre kritikusabbá válik, az ismert hullámterjedési modellek szinte használhatatlanná válnak. Ezért a tervezést megelozoen a helyi viszonyok alapos megismerésére van szükség, különös tekintettel az épületek, építmények elhelyezkedését illetoen, hiszen a rádióhullámok terjedésének várható módját (a reflexiós, árnyékos területek meghatározását) csak így lehet meghatározni. A cellaméret 300-1000 méter. (Vegyük példának a budapesti hálózatot. Kevesebb, mint 600 km 2 területen él az ország lakosságának kb. egyötöde. A gazdasági és üzleti élet az utóbbi években még inkább Budapest centrikussá vált, és hihetetlen ütemben nott a mobil telefont használók száma. A fovárosban eredetileg kialakított mobil hálózatok már régen kinotték lehetoségeiket, ezért csak folyamatos fejlesztésekkel tartható fenn a megnövekedett forgalom ellátása. A frekvencia újrafelhasználás 14-szeres, a cellaméret a belvárosban tipikusan 500-800 méter. A geográfia is nagyon összetett, hiszen Buda dombos, Pest sík terület és a várost kettészelo Duna 'forgalma' szinte zérus, a hidakat leszámítva. A raszter szerinti állomáselrendezést szinte képtelenség ilyen viszonyok mellett elképzelni.) -Mikrocellák: Mikrocellás környezetnek számít a vasúti pályaudvarok, repüloterek, nagyobb üzletközpontok, telephelyek területe. Ezek kb. 300 m-nél kisebb cellaméretet jelentenek. 3.4. Az FDMA/TDMA technika megvalósítása Az analóg rádió rendszerekben az FDMA (Frequency Division Multiple Access) un. frekvenciaosztásos többszörös hozzáférésu rendszert alkalmazzák. Ez azt jelenti, hogy minden csatornának egy-egy külön vivofrekvencia van kijelölve. Ennék a módszernek az a hátránya, hogy egyszerre csak egy elofizeto használhat egy adott frekvenciát. A rendszerben a felhasználható vivofrekvenciák adottak, így egy bizonyos nagyságú forgalmat csak újabb cella kialakításával lehet kielégíteni. A vivofrekvenciák korlátozott száma és a forgalom rohamos növekedése szükségessé tette az idoosztásos technika bevezetését. A TDMA (Time Division Multiple Access) a vezetékes átviteli rendszerekben is régóta használt technika. (Gondoljunk a PCM átvitelre.) A GSM-ben az FDMA/TDMA kombinált rendszert alkalmazzák a rádiós átvitelben. Egyetlen vivofrekvenciát nyolc elofizeto használ idoosztásban. Az átvitt adatok ciklikus